なぜMBR膜はスケールアップしやすく、オンライン逆洗が効果がない場合でも数ヶ月ごとに洗浄が必要になるのか？
MBR（膜分離活性汚泥法）技術は、排水処理において広く、そして成功裏に適用されてきました。二次沈殿槽を置き換えることで、MBRは高い流出水質と高い汚泥濃度を保証し、排水処理担当者の多くの運用上の問題を軽減します。しかし、膜ファウリングは、MBRシステムの開発と運用にとって常に課題となっています。そこで、MBRオペレーターは、膜ファウリングの原因を迅速に特定し、効果的に対処して洗浄頻度を減らすにはどうすればよいのでしょうか？
膜ファウリングの定義
膜ファウリングは一般的に、混合液中の物質が膜表面（外部）および膜細孔内（内部）に蓄積し、吸着するプロセスを指します。これにより、細孔の閉塞、多孔性の低下、膜フラックスの低下、およびろ過圧力の上昇を引き起こします。
膜ろ過操作では、水分子と小さな粒子が継続的に膜を通過しますが、一部の物質は膜によって保持され、細孔を塞いだり、膜表面に堆積したりしてファウリングを引き起こします。本質的に、膜ファウリングは膜ろ過の結果として発生します。膜ファウリングの直接的な現れは、膜フラックスの減少または運転圧力の増加です。
活性汚泥混合液中の物質、例えば栄養素、微生物フロック、微生物細胞、細胞断片、代謝副産物（EPS、SMP）、および様々な有機および無機溶解物質はすべて、膜ファウリングに寄与します。
膜ファウリングの段階
膜ファウリングは一般的に3つの段階で進行します（一部の分類では2つの段階を指します）。
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初期ファウリング：これは、膜システムの運転の初期段階で発生します。膜表面は、混合液中のコロイド、有機物などと強く相互作用し、付着、電荷効果、細孔閉塞などによってファウリングを引き起こします。クロスフローろ過条件下では、小さな生物学的フロックまたは細胞外ポリマーがまだ膜表面に付着し、膜細孔サイズよりも小さい物質は細孔内に吸着する可能性があります。濃縮、結晶化、および成長を通じて、ファウリングが発生します。
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徐々ファウリング：最初は、膜表面は滑らかで、大きな粒子は容易に付着しません。主なファウリング物質は、EPS、SMP、および生物学的コロイドであり、これらは膜表面に吸着してゲル状の層を形成します。これにより、ろ過抵抗が徐々に増加し、混合液中の汚染物質を保持する膜の能力が向上します。ゲル層ファウリングは避けられず、膜抵抗が徐々に上昇します。定流量運転では、これはTMP（膜間圧力）の緩やかな上昇として現れ、定圧モードでは、フラックスの緩やかな低下として現れます。
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急速ファウリング：第二段階で形成されたゲル層は、継続的なろ過圧力と浸透流の下でよりコンパクトになり、ファウリングは徐々から劇的に移行します。大量のフロックが膜表面に急速に蓄積し、汚泥ケーキを形成し、膜間圧力が急速に増加します。
ゲル層ファウリングは避けられず、膜抵抗が徐々に増加します。定流量運転では、これはTMPの緩やかな上昇として明らかになり、定圧モードでは、フラックスの緩やかな低下として現れます。大量の汚泥フロックが膜表面に堆積して汚泥ケーキを形成すると、システムは正常に運転できなくなります。
MBRの運転とメンテナンスにおける主な焦点は、ゲル層ファウリングを遅らせること（良好な水力条件の維持、インサイチュ洗浄、膜ファウリングの進行速度の制御、および徐々ファウリング段階の延長によって）と、汚泥ケーキファウリング（急速ファウリング）を制御することです。
膜ファウリングの種類
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ファウリング物質の組成に基づく
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有機ファウリング：これは主に、高分子有機物（多糖類、タンパク質など）、腐植物質、微生物フロック、および混合液中の細胞断片に由来します。可溶性微生物生成物（SMP）と細胞外高分子物質（EPS）は、MLSS（混合液浮遊固形物）のごく一部を占めますが、膜ファウリングに大きく貢献します（26％〜52％）。膜細孔内および膜表面での微生物の成長と吸着も、ファウリングにおいて重要な役割を果たします。
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無機ファウリング：これは、カルシウム、マグネシウム、鉄、シリカなどの架橋を形成する金属塩および無機イオンに起因し、スケーリング、特に炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、および水酸化マグネシウムを引き起こします。
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ファウリングの性質に基づく
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可逆的ファウリング（一時的ファウリング）：このタイプのファウリングは、清浄水による逆洗や曝気などの特定の水力学的手段によって除去できます。
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不可逆的ファウリング（永続的ファウリング）：このファウリングは、水力学的洗浄方法では除去できず、酸化剤、酸、塩基、または還元剤などの化学薬品による洗浄が必要です。
可逆的ファウリングと不可逆的ファウリングの両方を洗浄できますが、不可逆的ファウリングは膜性能に永続的な損傷を与えます。
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ファウリングの場所に基づく
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内部ファウリング：これは、混合液中の物質が膜細孔内に蓄積、結晶化、および凝集するときに発生します。
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外部ファウリング：これは、物質が凝集して膜表面に堆積するときに発生します。
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膜ファウリングに影響を与える要因
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混合液の特性
MBRシステムにおけるファウリング物質の発生源は、ファウリングに影響を与える複雑な特性を持つ活性汚泥混合液です。
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EPSとSMP：EPSとSMPは、ファウリングにおいて重要な役割を果たす微生物代謝副産物です。過剰なEPSは混合液の粘度を増加させ、酸素拡散を困難にし、微生物フロックの活性に影響を与え、ろ過抵抗を増加させます。EPSレベルが低すぎると、フロックが分解され、MBRの運転に悪影響を及ぼします。
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MLSS濃度：MLSSの濃度は、混合液の粘度に直接影響します。MLSSが増加すると、粘度が指数関数的に増加し、ろ過効率が低下します。クロスフロー速度または曝気強度が、膜表面に付着した固形物を洗い流すのに不十分な場合、ファウリングが発生します。
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粘度：混合液の粘度はMLSSの影響を受け、気泡サイズと膜の柔軟性、および酸素移動効率に直接影響します。粘度が高いほど、ファウリングの傾向が高くなります。
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汚泥の疎水性：研究によると、汚泥の疎水性は膜ファウリングにおいて重要な役割を果たしています。高い疎水性は、特に過剰な糸状菌が不規則なフロック形状を引き起こす場合に、深刻なファウリングを引き起こす可能性があります。
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汚泥の粒子サイズ：約2ミクロンの小さな粒子は、膜表面に堆積しやすく、密な層を形成し、ろ過抵抗を増加させます。
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汚泥沈降速度（SVI）：SVIはファウリングに直接影響しませんが、混合液中の有機物の沈降特性を示す可能性があります。コロイドと溶解有機物は、ファウリングの主な要因です。
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MBRの運転条件
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汚泥滞留時間（SRT）：SRTを長くすると、SMPとEPSの生成を減らすことができ、それによってファウリングを減らすことができます。ただし、SRTが長すぎると、汚泥濃度が高くなり、粘度が増加し、ファウリングが悪化する可能性があります。
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水力学的滞留時間（HRT）：HRTはファウリングに直接影響しませんが、HRTが短いほど、微生物に多くの栄養素が供給され、微生物の成長が速くなり、ファウリングの可能性が高まる可能性があります。
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温度とpH：低温は可逆的ファウリングを引き起こし、高温は不可逆的ファウリングを加速します。MBRは通常、pH範囲6〜9で運転されます。極端なpH値は、硝化細菌を阻害し、ファウリングを増加させる可能性があります。
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溶存酸素（DO）：低いDOレベルは、微生物細胞の疎水性を高め、汚泥フロックの分解を引き起こします。DOレベルが1 mg/Lを下回ると、SMPレベルが急上昇し、ファウリングが悪化します。
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膜フラックス：フラックスが増加すると、すべての膜プロセスでファウリングの可能性が高まります。フラックス、膜面積、および逆洗/化学洗浄間隔のバランスをとることが、ファウリングを最小限に抑えるための鍵です。
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膜の特性と膜モジュール構造
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細孔サイズ：細孔が小さい膜は、より多くの汚染物質を保持する傾向があり、より密度の高いファウリング層を生成し、除去が困難になります。細孔が大きい膜は、初期の閉塞は高くなる可能性がありますが、時間の経過とともにろ過性能を向上させる動的膜を形成します。
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膜材料：PVDFなどの疎水性膜は、ファウリングを起こしやすくなります。一方、セラミック膜はファウリングに対する耐性が高く、化学的安定性と強度に優れています。
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表面粗さ：膜表面の粗さは、汚染物質を吸着する能力を高めますが、ある程度の柔軟性も導入し、汚染物質が永続的に付着する可能性を減らします。
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疎水性と親水性：親水性材料で作られた膜は、一般的にファウリングに対する耐性が優れています。
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膜ファウリングの制御対策
ファウリングは、主に膜の固有の特性、混合液の特性、および運転条件の影響を受けます。したがって、ファウリングの制御は、これら3つの側面に焦点を当てる必要があります。
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膜の特性：ファウリング抵抗を強化するために、より優れた親水性、表面粗さ、および適切な細孔サイズを持つ膜を選択します。セラミック膜は、その強度と化学的安定性から、多くの場合、良い選択肢です。
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混合液の特性：ファウリングを減らすために、MLSS濃度と粘度、および有機および無機材料の組成を制御します。ろ過などの前処理ステップは、大きな粒子を除去し、目詰まりを防ぐことができます。
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システムの運転環境：適切なフラックスを使用して、サブクリティカル値内に留まります。